| 3차년도 |
무용접 조인트를 고려한 통합 설계기법 개발
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3차년도(2004？2005) 피로설계기법 개발 -안전성 평가 및 잔존수명 평가결과의 설계변수 반영 / -설계수명을 고려한 피로설계기법 개발 내진설계기법 개발 -내진설계상위개념에 근거한 설계지진력 산정 / -경제성 손실분석 기법의 적용 -상수도 매설관로의 내진설계 기본 절차 제안 / -통합형 내진설계 절차 및 기법 개발 시공 적정성의 평가 -피로설계, 내진설계, 안전성 평가 결과에 따른 적정 매설깊이 선정 조인트 실용화 및 실험 -구조적 성능 및 수압시험을 통한 안전성 검토 및 결과 분석 -조인트 설치관련 매뉴얼 및 시방서 작성
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
성능평가모델 설정 : 국내의 광역상수도 현황을 알아보았고 사고이력 분석결과 국내 상수도 매설배관의 파손 대부분이 겨울철에 발생된다는 것을 알았다. 국내 상수도 매설관로의 파손원인을 규명하고 실험적 방법을 통하여 대표적인 인자들을 도출하였다. 그리고, 국내외 연구사례 및 문헌조사를 통하여 기존 성능평가 모델의 문제점을 고찰하고 개선방향을 제시하였다. 또한, 지반과 상수도 매설배관의 상호작용을 해석하기 위한 수치해석 알고리즘을 제시하였다,
성능지배인자의 도출 : 겨울철에 집중적으로 발생하는 국내 상수도 매설배관의 파손원인에 대한 국내외 연구사례 및 문헌조사를 통해 이론적인 연구를 수행하였다. 실험적 방법을 통하여 동결하중과 토양의 동토공학적 특성을 고려한 관로사고의 구조적 파손원인을 규명하고 이와 관련된 대표적인 인자를 도출하였다. 도출된 물성치를 이용 수치해석을 실시하고 제시된 성능평가 인자들이 상수도 매설배관의 성능평가에 영향을 끼치고 있음을 알았다.
잔존수명 평가기법 개발 : 상수도용 강관 재료에 대한 기초적인 물성을 확보하기 위해 호칭지름 1000mm배관에서 표준 인장 시험편을 추출하고 인장 시험을 수행하였다. 시험을 통해 재료의 항복 강도와 인장 강도를 확보하였고 재료가 연성재임을 알 수 있었다. 또한 표준 피로 시험편을 추출한 후 피로 시험을 수행하였다. 시험 결과 재료의 S-N 선도와 피로 한도 등을 평가하였다. 수명 평가 방법을 제시하기 위해 제안된 표면부 포함 시험편을 추출하여 피로 시험을 진행 중에 있으며 추가적으로 용접부의 피로 특성을 평가하기 위한 용접부 포함 시험편을 제작하였다. 배관은 총 3가지로 호칭지름 150mm, 300mm 및 1000mm에 대한 4점 굽힘 피로 시험이 진행되고 있다. 이들의 결과를 비교하고 와이블 확률분포를 적용한 수명 평가를 이루고자 한다.
극한해석모델 설정 : 지진과 지반특성을 고려하여 지진파 전파로 인해 발생하는 지반변형률을 산정하였고, 이를 매설관로의 지진해석 모형에 하중으로 적용할 수 있는 개선된 해석방법을 제시하였다. 또한, 영구지반변형을 크게 종방향의 영구지반변형과 횡방향의 영구지반변형으로 구분하여 모형화하였으며, 이를 매설관로의 해석모형에 적용하여 영구지반변형에 대한 기본적인 거동특성을 살펴보았다. 국부좌굴 및 인장파괴가 지배적인 파괴형태로서 작용하는 종방향 영구지반변형에 대해서는 정적 해석모형을 적용하였고, 영구지반변형이 발생하는 동안 수반되는 전체구조계의 동적특성에 대한 고려가 필수적으로 요구되는 횡방향 영구지반 변형에 대해서는 동적 해석모형을 적용하였다, 극한상태 지배인자 도출 : 개발된 지진파 전파와 영구지반변형에 의한 매설관로의 거동 해석기법을 통해 다양한 지반 및 지진환경과 관 특성에 의한 매설관로의 매개변수 해석을 실시하였다. 이를 통하여 관경, 재료, 매설깊이, 지진파의 종류, 지반의 종류와 같은 설계인자들에 의한 거동영향을 평가하였으며 향후 남은기간동안의 연구를 통해 이중 극한상태 지배인자를 도출하고자 한다
조인트 특성분석 및 모형제작 실험 : 무용접 조인트의 상수도 매설배관의 모형을 제작하고 변형율과 온도를 주기적으로 점검하여 데이터를 수집한다. 그리고 수압과 토압 및 온도에 의한 거동특성을 분석한다.
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| 사회 경제적 파급효과 |
사회적 측면
: Lifeline 은 인간활동에 가장 근간이 되는 사회 기반시설로 인간사회의 발달과 함께 그 필요성이 급증되어 왔다. 특히 상수도는 사회를 하나의 인체에 비유한다면 인간의 정 동맥으로 생각할 수 있는 시스템으로 그 중요성 및 필요성은 따로 강조할 필요가 없다. 국민이 가정에서 사용하게 될 상수도를 운반하는 상수도 매설관로는 파손으로 인해 오수가 유입되거나 부식으로 인해 불순물이 함유되지 않도록 설계·시공·유지관리에 많은 사회자본이 투자되고 있다. 따라서, 본 연구에서 수행하고자 하는 상수도 매설관로의 잔존수명예측을 통해 효율적이고 안전한 관리를 한다면 국민 생활에 필수적인 상수도 공급망에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
- 국민 생활에 필수적인 상수도 공급망에 대한 신뢰성 향상
- 상수도 매설관로의 내진 안전성을 향상시켜 지진 후 2차피해 감소
경제적 측면
: 기본적으로 네트워크의 형태를 갖는 Lifeline은 구성요소의 손상이 시스템의 마비와 막대한 규모의 경제·사회적 손실을 발생시킬 수 있다는 점에서 다른 구조물과 차별된다. 본 연구에서 수행하고자 하는 안전성 평가, 잔존수명 평가, 극한상태 평가를 통합한 선진 설계시스템의 개발을 통해 체계적이고 경제적인 설계 및 시공방법을 적용한다면 상수도 매설관로의 파손으로 인한 막대한 손실을 미연에 방지할 수 있을 것으로 사료되며, 정확한 잔존수명 평가 및 예측을 통해 상수도 매설관로의 합리적인 교체가 가능할 것으로 판단된다. 이로 인해 파급되는 비용 절감 효과는 매우 클 것으로 사료된다.
- 체계적이고 경제적인 설계 및 시공방법에 의한 경제성 향상
- 상수도 매설관로 교체비용의 절감
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| 활용방안 |
개발된 통합 설계시스템을 이용하여 단편적인 설계에 의존하고 있는 현 기술동향을 한 단계 향상
상수도 매설관로에 발생하는 피로파괴에 대한 해석적 접근을 통해 정확한 잔존수명을 예측하고 이를 통해 용도에 적합한 매설관로의 설계 및 교체를 통해 경제성 확보
상수도 매설관로를 대상으로 개발된 통합설계 기법은 이후 유사한 형태의 Lifeline 시스템에 용이하게 기술 이전 가능
상수도 매설관로의 내진설계 기법을 체계적으로 연구하여 지진 후의 재해복구 시스템의 운용에 기여
상수도 매설로관의 부식에 대한 적절한 설계 및 대비를 통해 저비용으로 국민들에게 안전하고 깨끗한 상수를 공급
상수도 매설관로의 무용접 조인트 성능향상으로 관의 피로수명 연장과 단층 및 지진에 대한 안전성을 향상시키고 관 교체비용 절감과 같은 2차 비용 절감
금속·전기의 부식 및 방식분야, 토목·기계의 구조해석 및 설계분야, 토목의 토질역학 분야, IT 기술의 모니터링분야 등과의 결합이 필수적이므로 본 연구를 통해 1차적으로 상수도 매설관로에 대해 연구성과를 얻은 후 유사한 가스 매설배관, 송유 매설배관, 하수 매설관로, 통신 매설관로, 해저케이블 및 해저관로 등에 대해 동일한 기법을 적용하는 방식으로 타 산업에 적용
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